Elementos de aquecimento elétrico, elementos de aquecimento, tipos, projetos, conexão e teste

Os elementos de aquecimento elétrico são usados ​​em equipamentos domésticos e industriais. O uso de vários aquecedores é conhecido por todos. São fogões elétricos, fornos e fornos, cafeteiras elétricas, chaleiras elétricas e aparelhos de aquecimento de vários modelos.

Aquecedores de água elétricos, comumente referidos como caldeiras, também contêm elementos de aquecimento. A base de muitos elementos de aquecimento é um fio com alta resistência elétrica. E na maioria das vezes esse fio é feito de nicrômio.

Espiral de nicrómio aberta

O elemento de aquecimento mais antigo é talvez a espiral nicrômica usual. Era uma vez, fogões elétricos caseiros, caldeiras de água e aquecedores de cabras. Ter em mãos um fio de nicromo que poderia "se apossar" da produção, fazer uma espiral da energia necessária não apresentava nenhum problema.

A extremidade do fio do comprimento necessário é inserida no corte do guincho, o próprio fio é passado entre dois blocos de madeira. O torno deve ser fixado para que toda a estrutura seja mantida, como mostrado na figura. A força de aperto deve ser tal que o fio passe através das barras com algum esforço. Se a força de aperto for grande, o fio simplesmente quebrará.

Figura 1. Enrolamento em espiral do nicromo

Ao girar o colar, o fio é puxado através das barras de madeira e, cuidadosamente, volta a volta, é colocado em uma haste de metal. No arsenal de eletricistas, havia um conjunto de chaves de vários diâmetros de 1,5 a 10 mm, o que tornava possível espirrar espirais para todas as ocasiões.

Era conhecido qual o diâmetro do fio e qual o comprimento necessário para enrolar a espiral da potência necessária. Esses números mágicos ainda podem ser encontrados na Internet. A Figura 2 mostra uma tabela que mostra dados sobre espirais de várias capacidades a uma tensão de alimentação de 220V.

Figura 2. Cálculo da espiral elétrica do elemento de aquecimento (clique na imagem para ampliar)

Tudo é simples e claro aqui. Dada a potência necessária e o diâmetro do fio nicrômico disponível, resta apenas cortar um pedaço do comprimento desejado e enrolá-lo em um mandril do diâmetro correspondente. Ao mesmo tempo, a tabela mostra o comprimento da espiral resultante. E se houver um fio com um diâmetro não especificado na tabela? Nesse caso, a espiral precisará apenas ser calculada.

Como calcular uma espiral nicrômica

Se necessário, calcule a espiral é bastante simples. Como exemplo, o cálculo de uma espiral feita de fio de nicromo com um diâmetro de 0,45 mm (não existe esse diâmetro na tabela) com uma potência de 600 W para uma tensão de 220V. Todos os cálculos são realizados de acordo com a lei de Ohm.

Sobre como converter amperes em watts e, inversamente, watts em amperes:

Quantos amperes existem em amperes, como converter amperes em watts e kilowatts

Primeiro, você deve calcular a corrente consumida pela espiral.

I = P / U = 600/220 = 2,72 A

Para fazer isso, basta dividir a potência definida pela tensão e obter a quantidade de corrente que passa pela espiral. Potência em watts, tensão em volts, resulta em amperes. Tudo de acordo com o sistema SI.

Usando a corrente conhecida agora, é bastante simples calcular a resistência necessária da espiral: R = U / I = 220 / 2.72 = 81 Ohms

A fórmula para calcular a resistência de um condutor é R = ρ * L / S,

onde ρ é a resistência específica do condutor (para níquel 1,0 a 1,2 Ohm • mm2 / m), L é o comprimento do condutor em metros, S é a seção transversal do condutor em milímetros quadrados. Para um condutor com um diâmetro de 0,45 mm, a seção transversal é de 0,159 mm2.

Portanto, L = S * R / ρ = 0,159 * 81 / 1,1 = 1170 mm ou 11,7 m.

Em geral, o cálculo não é tão complicado.De fato, a fabricação de uma espiral não é tão difícil, o que, sem dúvida, é a vantagem das espirais nicrômicas comuns. Mas essa vantagem é bloqueada por muitas deficiências inerentes às espirais abertas.

Em primeiro lugar, esta é uma temperatura de aquecimento bastante alta - 700 ... 800˚C. A espiral aquecida tem um leve brilho vermelho; tocar acidentalmente nela pode causar queimaduras. Além disso, é possível choque elétrico. Uma espiral em brasa queima o oxigênio do ar, atrai para si partículas de poeira que, quando queimadas, dão um aroma muito desagradável.

Mas a principal desvantagem das espirais abertas deve ser considerada seu alto risco de incêndio. Portanto, o corpo de bombeiros simplesmente proíbe o uso de aquecedores com uma espiral aberta. Esses aquecedores, em primeiro lugar, incluem a chamada "cabra", cujo design é mostrado na Figura 3.

Figura 3. Aquecedor de cabra caseiro

Foi assim que a “cabra selvagem” acabou: ela foi deliberadamente feita de maneira descuidada, simples e até muito ruim. Um incêndio com esse aquecedor não terá que esperar muito tempo. Um design mais avançado desse aquecedor é mostrado na Figura 4.

Figura 4. "Cabra" em casa

É fácil ver que a espiral é fechada por um invólucro de metal, é isso que impede tocar nas partes aquecidas das partes vivas. O risco de incêndio desse dispositivo é muito menor do que o mostrado na figura anterior.

Veja este tópico:Por que a "cabra" e uma caldeira caseira são perigosas?

Era uma vez na URSS, aquecedores-refletores foram produzidos. No centro do refletor niquelado havia um cartucho de cerâmica, no qual, como uma lâmpada com uma tampa E27, um aquecedor de 500W era parafusado. O risco de incêndio desse refletor também é muito alto. Bem, de alguma forma, eu não pensava naqueles dias a que o uso de tais aquecedores poderia levar.

Figura 5. Aquecedor reflexo

É óbvio que vários aquecedores com uma espiral aberta podem, contrariamente aos requisitos da inspeção de incêndio, ser usados ​​somente sob supervisão vigilante: se você sair da sala - desligue o aquecedor! Melhor ainda, pare de usar esse tipo de aquecedor.

Resistências fechadas em espiral

Para se livrar de uma espiral aberta, os Aquecedores Elétricos Tubulares - RTEs foram inventados. O design do aquecedor é mostrado na Figura 6.

Figura 6. O design do aquecedor

A espiral nicrômica 1 está escondida dentro de um tubo de metal de paredes finas 2. A espiral é isolada do tubo pelo material de enchimento 3 com alta condutividade térmica e alta resistência elétrica. A periclase (uma mistura cristalina de óxido de magnésio MgO, às vezes com impurezas de outros óxidos) é mais frequentemente usada como carga.

Depois de encher com uma composição isolante, o tubo é pressionado e, sob alta pressão, a periclase se transforma em um monólito. Após tal operação, a espiral é rigidamente fixa, portanto, o contato elétrico com o tubo do corpo é completamente excluído. O design é tão forte que qualquer aquecedor pode ser dobrado se o design do aquecedor exigir. Alguns elementos de aquecimento têm uma forma muito bizarra.

A espiral é conectada aos fios de metal 4, que saem através dos isoladores 5. Os fios dos fios são conectados às extremidades roscadas dos fios 4 com porcas e arruelas 7. Os elementos de aquecimento são presos na caixa do dispositivo com porcas e arruelas 6, que garantem, se necessário, o aperto da conexão.

Sob a observância das condições operacionais, esse projeto é bastante confiável e durável. Foi exatamente isso que levou ao uso muito difundido de elementos de aquecimento em dispositivos para diversos fins e projetos.

De acordo com as condições de operação, os elementos de aquecimento são divididos em dois grandes grupos: ar e água. Mas esse é apenas esse nome. De fato, os elementos de aquecimento do ar são projetados para funcionar em vários ambientes de gás.Até o ar atmosférico comum é uma mistura de vários gases: oxigênio, nitrogênio, dióxido de carbono, existem até impurezas de argônio, néon, criptônio, etc.

O ambiente aéreo é muito diversificado. Pode ser um ar atmosférico calmo ou uma corrente de ar movendo-se a uma velocidade de vários metros por segundo, como em aquecedores de ventoinhas ou pistolas de calor.

O aquecimento da carcaça do aquecedor pode atingir 450 ° C e até mais. Portanto, para a fabricação do invólucro tubular externo, são utilizados vários materiais. Pode ser aço carbono comum, aço inoxidável ou aço resistente ao calor e resistente ao calor. Tudo depende do meio ambiente.

Para melhorar a transferência de calor, alguns elementos de aquecimento são equipados com nervuras nos tubos na forma de uma fita de metal enrolada. Esses aquecedores são chamados de barbatanas. O uso de tais elementos é mais apropriado em um ambiente de ar em movimento, por exemplo, em aquecedores de ventiladores e pistolas de calor.

Os elementos de aquecimento da água também não são necessariamente usados ​​na água; este é o nome geral de vários meios líquidos. Pode ser óleo, óleo combustível e até vários líquidos agressivos. Liquid TENY usado em caldeiras elétricas, destiladores, usinas de dessalinização elétrica e apenas titãs para ferver água potável.

A condutividade térmica e a capacidade de aquecimento da água são muito maiores do que a do ar e de outros meios gasosos, o que fornece, em comparação com o ar, uma remoção de calor melhor e mais rápida do aquecedor. Portanto, com a mesma energia elétrica, o aquecedor de água possui dimensões geométricas menores.

Aqui podemos dar um exemplo simples: ao ferver água em uma chaleira elétrica comum, o aquecedor pode ficar em brasa e depois queimar em buracos. A mesma imagem pode ser observada em caldeiras comuns, projetadas para ferver água em um copo ou em um balde.

O exemplo dado demonstra claramente que os elementos de aquecimento da água nunca devem ser usados ​​para trabalhos no ar. Você pode usar elementos de aquecimento do ar para aquecer a água, mas basta aguardar muito tempo até que a água ferva.

Não é vantajoso para os elementos de aquecimento de água uma camada de incrustações formada durante a operação. A balança, por via de regra, possui uma estrutura porosa e sua condutividade térmica é pequena. Portanto, o calor gerado pela espiral entra mal no líquido, mas a espiral dentro do aquecedor aquece a uma temperatura muito alta, que mais cedo ou mais tarde levará ao seu esgotamento.

Para evitar que isso aconteça, é aconselhável limpar periodicamente os elementos de aquecimento usando vários produtos químicos. Por exemplo, em um anúncio de televisão, Calgon é recomendado para proteger aquecedores de máquinas de lavar. Embora sobre essa ferramenta, existem muitas opiniões diferentes.

Como se livrar da balança

Além de produtos químicos para proteção contra balança, vários dispositivos são usados. Primeiro de tudo, estes são conversores magnéticos de água. Em um poderoso campo magnético, os cristais de sais "duros" mudam de estrutura, transformam-se em flocos e se tornam menores. A escama é menos ativa a partir de tais flocos; a maioria dos flocos é simplesmente lavada por uma corrente de água. Isso garante a proteção de aquecedores e tubulações contra incrustações. Conversores de filtro magnético são produzidos por muitas empresas estrangeiras, essas empresas existem na Rússia. Esses filtros estão disponíveis tanto no tipo de encaixe quanto no de cima.

Amaciadores de água eletrônicos

Recentemente, os amaciadores eletrônicos de água estão se tornando cada vez mais populares. Externamente, tudo parece muito simples. Uma pequena caixa é instalada no tubo, da qual os fios da antena saem. Os fios são enrolados no cano e você nem precisa descascar a tinta. O dispositivo pode ser instalado em qualquer local acessível, como mostra a Figura 7.

Figura 7. Abrandador de água eletrônico

A única coisa que você precisa para conectar o dispositivo é uma tomada de 220V.O dispositivo foi projetado para ligação a longo prazo, não precisa ser desligado periodicamente, pois o desligamento fará com que a água volte a endurecer, a balança se formará novamente.

O princípio de operação do dispositivo é reduzido à emissão de vibrações na faixa de frequências ultrassônicas, que podem atingir até 50KHz. A frequência de oscilação é controlada usando o painel de controle do dispositivo. A radiação é produzida em lotes várias vezes por segundo, o que é alcançado usando o microcontrolador embutido. O poder das flutuações é pequeno, portanto, esses dispositivos não representam nenhuma ameaça à saúde humana.

A conveniência de instalar esses dispositivos é fácil de determinar. Tudo se resume a determinar o quão forte a água flui do cano de água. Aqui você nem precisa de aparelhos "obscuros": se sua pele secar após a lavagem, manchas brancas aparecerem no azulejo por respingos de água, escamação aparece na chaleira, a máquina de lavar apaga mais lentamente do que no início da operação - a água dura definitivamente sai da torneira. Tudo isso pode levar à falha dos elementos de aquecimento e, portanto, das próprias chaleiras ou máquinas de lavar.

A água dura não dissolve vários detergentes - de sabonetes comuns a detergentes para a moda super modernos. Como resultado, é necessário colocar mais pós, mas isso ajuda um pouco, já que os cristais dos sais de dureza são retidos nos tecidos, a qualidade da lavagem deixa muito a desejar. Todos os sinais listados de dureza da água indicam eloquentemente que é necessário instalar amaciadores de água.

Conexão e verificação de elementos de aquecimento

Ao conectar o aquecedor, deve-se usar um fio de seção transversal adequada. Tudo depende da corrente que flui através do aquecedor. Na maioria das vezes, dois parâmetros são conhecidos. Esta é a potência do próprio aquecedor e a tensão de alimentação. Para determinar a corrente, basta dividir a energia pela tensão de alimentação.

Um exemplo simples. Deixe um elemento de aquecimento com uma potência de 1 kW (1000 W) para uma tensão de alimentação de 220V. Para esse aquecedor, verifica-se que a corrente é

I = P / U = 1000/220 = 4,545A.

De acordo com as tabelas colocadas no PUE, essa corrente pode fornecer um fio com uma seção transversal de 0,5 mm2 (11A), mas, para garantir resistência mecânica, é melhor usar um fio com uma seção transversal de pelo menos 2,5 mm2. Apenas esse fio é geralmente fornecido com eletricidade para tomadas.

Porém, antes de fazer a conexão, verifique se mesmo o novo, recém-comprado TEN, está em boas condições. Antes de tudo, é necessário medir sua resistência e verificar a integridade do isolamento. A resistência do elemento de aquecimento é bastante simples de calcular. Para fazer isso, é necessário ajustar a tensão de alimentação e dividir por potência. Por exemplo, para um aquecedor de 1000W, esse cálculo é semelhante a:

220 * 220/1000 = 48,4ohm.

Essa resistência deve ser demonstrada por um multímetro ao conectá-lo aos terminais do aquecedor. Se a espiral estiver quebrada, então, naturalmente, o multímetro mostrará uma pausa. Se usarmos um elemento de aquecimento de uma potência diferente, a resistência, é claro, será diferente.

Para verificar a integridade do isolamento, meça a resistência entre qualquer um dos terminais e a carcaça de metal do aquecedor. A resistência do isolador de enchimento é tal que, em qualquer limite de medição, o multímetro deve mostrar uma quebra. Se a resistência for zero, a espiral terá contato com a carcaça de metal do aquecedor. Isso pode acontecer mesmo com um novo, acabado de comprar por um elemento de aquecimento.

Geralmente usado para testar o isolamento megaohmímetro especial, mas nem sempre e nem todos têm isso em mãos. Portanto, um teste multímetro normal também é bastante adequado. Pelo menos essa verificação deve ser feita.

Como já mencionado, os elementos de aquecimento podem ser dobrados mesmo após o enchimento com um isolador. Existem vários tipos de aquecedores: em forma de tubo reto, em forma de U, enrolados em anel, cobra ou espiral.Tudo depende do dispositivo do dispositivo de aquecimento no qual o aquecedor deve estar instalado. Por exemplo, em um aquecedor de água corrente de uma máquina de lavar, as RTEs são torcidas em espiral.

Alguns TENY têm elementos de proteção. A proteção mais simples é um fusível térmico. Bem, se queimar, é preciso trocar o aquecedor inteiro, mas não alcançará o fogo. Existe um sistema de proteção mais complexo que permite o uso de um aquecedor após sua operação.

Uma dessas proteções é uma proteção baseada em uma placa bimetálica: o calor de um elemento de aquecimento superaquecido curva a placa bimetálica, que abre o contato e desenergiza o elemento de aquecimento. Depois que a temperatura cai para um valor aceitável, a placa bimetálica se estende, o contato fecha e o aquecedor está pronto para operação novamente.

TENY com um regulador de temperatura

Na ausência de fornecimento de água quente, é necessário o uso de caldeiras. O design das caldeiras é bastante simples. Este é um recipiente de metal escondido em um "casaco de pele" de um isolador de calor, em cima do qual está uma caixa de metal decorativa. Um termômetro é incorporado no gabinete, mostrando a temperatura da água. O design da caldeira é mostrado na Figura 8.

Figura 8. Caldeira de armazenamento

Algumas caldeiras contêm um ânodo de magnésio. Sua finalidade é a proteção contra a corrosão do aquecedor e do tanque interno da caldeira. O ânodo de magnésio é um consumível e deve ser alterado periodicamente durante a manutenção da caldeira. Mas em algumas caldeiras, aparentemente de uma categoria de preço barato, essa proteção não é fornecida.

Como elemento de aquecimento em caldeiras, é utilizado um aquecedor com um regulador de temperatura, o design de um deles é mostrado na Figura 9.

Figura 9. RTE com um regulador de temperatura

Um microinterruptor está localizado na caixa plástica, que é acionada por um sensor de temperatura do líquido (um tubo direto ao lado do aquecedor). A forma do aquecedor em si pode ser a mais diversificada, a figura mostra a mais simples. Tudo depende da potência e do design da caldeira. O grau de aquecimento é controlado pela posição do contato mecânico controlado por uma alça redonda branca localizada na parte inferior da caixa. Existem também terminais para fornecer corrente elétrica. O aquecedor é preso com rosca.

Aquecedores úmidos e secos

Esse aquecedor está em contato direto com a água; portanto, esse aquecedor é chamado de "molhado". A vida útil de um elemento de aquecimento "úmido" é de 2 a 5 anos, após os quais deve ser alterada. Em geral, a vida útil é curta.

Para aumentar a vida útil do elemento de aquecimento e de toda a caldeira como um todo, a empresa francesa Atlantic nos anos 90 do século passado desenvolveu o design de um elemento de aquecimento "seco". Simplificando, o aquecedor estava escondido em um balão de proteção de metal que excluía o contato direto com a água: o elemento de aquecimento é aquecido dentro do balão, que transfere o calor para a água.

Naturalmente, a temperatura do balão é muito menor do que o próprio elemento de aquecimento; portanto, a formação de incrustações com a mesma dureza da água não é tão intensa, mais calor é transferido para a água. A vida útil desses aquecedores chega a 10 ... 15 anos. Isso vale para boas condições de operação, especialmente a estabilidade da tensão de alimentação. Mas, mesmo em boas condições, os elementos de aquecimento "seco" também produzem seus próprios recursos e precisam ser trocados.

Aqui, mais uma vantagem da tecnologia de elemento de aquecimento "seco" é revelada: ao substituir o aquecedor, não há necessidade de drenar a água da caldeira, para a qual ela deve ser desconectada da tubulação. Basta desligar o aquecedor e substituí-lo por um novo.

A Atlantic, é claro, patenteou sua invenção, após a qual começou a vender a licença para outras empresas. Atualmente, outras empresas, por exemplo, Electrolux e Gorenje, também produzem caldeiras com um elemento de aquecimento "seco". O design da caldeira com um elemento de aquecimento "seco" é mostrado na Figura 10.

Figura 10. Caldeira com aquecedor “seco”

A propósito, a figura mostra uma caldeira com um aquecedor de esteatita de cerâmica. O dispositivo desse aquecedor é mostrado na Figura 11.

Figura 11. Aquecedor de cerâmica

Na base cerâmica é fixada uma espiral aberta convencional de arame de alta resistência. A temperatura de aquecimento da espiral atinge 800 graus e é transferida para o meio ambiente (ar sob uma carcaça protetora) por convecção e radiação de calor. Naturalmente, um aquecedor aplicado a caldeiras só pode funcionar em uma carcaça protetora; no ar, o contato direto com a água é simplesmente excluído.

A espiral pode ser enrolada em várias seções, como evidenciado pela presença de vários terminais para conexão. Isso permite que você altere a potência do aquecedor. A potência específica máxima desses aquecedores não excede 9W / cm².

A condição para a operação normal desse aquecedor é a ausência de cargas mecânicas, curvas e vibrações. A superfície não deve estar contaminada por ferrugem ou manchas de óleo. E, é claro, quanto mais estável a tensão de alimentação, sem surtos e surtos, mais durável o aquecedor.

Mas a tecnologia elétrica não pára. As tecnologias estão se desenvolvendo, melhorando, portanto, além dos elementos de aquecimento, uma grande variedade de elementos de aquecimento é atualmente desenvolvida e usada com sucesso. Estes são elementos de aquecimento de cerâmica, elementos de aquecimento de carbono, elementos de aquecimento infravermelho, mas este será o tópico de outro artigo.

Continuação do artigo:Elementos de aquecimento modernos